T2K (Tokai to Kamioka) – это нейтринный эксперимент с длинной базой в Японии, в ходе которого изучаются нейтринные осцилляции. Нейтрино – это элементарные частицы, которые имеют три ” аромата”: электронный, мюонный и тау. Они взаимодействуют только через слабые силы, и их очень трудно обнаружить, поскольку они редко взаимодействуют с веществом. Электронные нейтрино образуются в большом количестве на Солнце, и солнечные нейтрино могут пройти через всю Землю без взаимодействия.
T2K исследовал осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино и объявил о первых экспериментальных признаках их наличия в июне 2011 года. Эти осцилляции ранее не наблюдались ни одним экспериментом. T2K также проводит измерения осцилляций мюонных нейтрино в тау-нейтрино (которые наблюдались предыдущими экспериментами). Он проведет самые точные на сегодняшний день измерения вероятности этих осцилляций и разницы между массами двух нейтрино (если быть точным, T2K измеряет разницу между квадратами этих масс).
Нейтринный пучок Т2К
T2K использует интенсивные пучки мюонных нейтрино, полученные в Токай, расположенном на восточном побережье Японии. Небольшая доля этих нейтрино регистрируется на расстоянии 295 км в Камиоке на западе Японии.
Эксперимент T2K посылает интенсивный пучок мюонных нейтрино из Токая, расположенного на восточном побережье Японии, в Камиоку, находящуюся на расстоянии 295 км на западе Японии. Пучок нейтрино образуется при столкновениях пучка протонов с графитовой мишенью; в результате столкновений образуются пионы, которые затем фокусируются в пучок с помощью магнитных устройств, называемых «рупорами” («horns»). Пионы быстро распадаются на мюоны и мюонные нейтрино. Мюоны и все оставшиеся протоны и пионы останавливаются вторым слоем графита (называемым «заглушкой пучка» или «дампом пучка»), но нейтрино проходят через этот слой. Важно знать энергию нейтрино в пучке, поскольку от нее зависят осцилляции: низкоэнергетичные нейтрино осциллируют на меньшем расстоянии, чем высокоэнергетичные. В T2K нейтрино имеют энергию в узком диапазоне с пиком около 600 МэВ, что соответствует осцилляционному максимуму нейтрино при прохождении расстояния в 295 км.
T2K также начал (в 2014 году) получать данные с помощью пучка мюонных антинейтрино. Считается, что при Большом взрыве образовалось равное количество материи и антиматерии, и непонятно, почему современная Вселенная состоит исключительно из материи. Целью использования пучка антинейтрино будет поиск решения этой проблемы путем сравнения осцилляций антинейтрино с осцилляциями нейтрино.
Детекторы Т2К
Ближний детектор ND280
Важно, чтобы направление нейтринного пучка было стабильным с точностью до 1/20 градуса, а интенсивность пучка была постоянной во времени. Проверки направления и интенсивности пучка производятся ежедневно с помощью взаимодействия нейтрино с железом в ближнем детекторе Interactive Neutrino GRID (INGRID). Он расположен в 280 метрах от мишени в центре нейтринного пучка.
T2K изучает нейтринные осцилляции с помощью двух различных детекторов, каждый из которых находится под углом 2,5 градуса от оси нейтринного пучка. Ближний детектор ND280 также находится в 280 метрах от мишени и измеряет количество мюонных нейтрино в пучке до начала осцилляций. Нейтрино в T2K имеют гораздо более высокую энергию, чем солнечные нейтрино, а высокоэнергетичные нейтрино более склонны к взаимодействию. Небольшое количество мюонных нейтрино взаимодействует со сцинтиллятором или водой в ND280, и многие из этих взаимодействий приводят к образованию мюона. Мюон – это заряженная частица, и его можно обнаружить, поскольку он ионизирует газ, который находится непосредственно после точек взаимодействия. Эти измерения ND280 используются для предсказания количества мюонных нейтрино, которые можно было бы увидеть в “дальнем детекторе” Super-Kamiokande, если бы не было осцилляций.
Большая часть нейтрино проходит через ND280 без взаимодействия, и они со скоростью, близкой к скорости света, направляются в Супер-Камиоканде (Super-K). Он расположен на глубине 1000 метров под землей на западе Японии и находится в 295 км от мишени в Токай. В детекторе Super K нейтрино попадают в очень большой цилиндр со сверхчистой водой. И снова большинство нейтрино проходят через него, не вступая во взаимодействие, но из-за высоких энергий нейтрино и интенсивности пучка некоторые из них взаимодействуют с водой.
Многие взаимодействия мюонных нейтрино приводят к образованию мюонов, а взаимодействия электронных нейтрино часто рождают электроны. Мюоны и электроны являются заряженными частицами, и они смещают электроны в воде при прохождении. Когда электроны воды возвращаются в свое равновесное положение после прохождения заряженной частицы, они излучают свет. Если пролетающая заряженная частица движется быстрее, чем скорость света в воде (которая составляет три четверти скорости света в вакууме), этот свет испускается в виде конуса, известного как излучение Вавилова-Черенкова. Стены Super-K оборудованы более чем 10 000 чувствительных фотоумножителей, которые регистрируют конус черенковского излучения в виде кольца. Super-K может отличить мюоны (которые создают четкое кольцо) от электронов (которые создают более размытое кольцо).
Для просмотра почти в реальном времени события с Super-K нажмите здесь. Вы увидите карту ФЭУ внутри детектора Super-K, полученную в результате события, зарегистрированного некоторое время назад. Отображение будет обновляться каждые несколько секунд. Это лишь случайная выборка событий, которые ежесекундно регистрируются на Super-K (Для объяснения работы дисплея событий щелкните здесь). Большинство событий, которые вы увидите, будут нисходящими мюонными треками, а НЕ нейтрино пучка T2K! На самом деле, большинство нейтринных взаимодействий, которые мы отсеиваем из миллионов событий, зарегистрированных на Super-K,вызваны солнечными или атмосферными нейтрино. Только несколько сотен нейтринных взаимодействий в год вызваны пучковыми нейтрино, идущими от J-PARC.
Осцилляции мюонных нейтрино в электронные были замечены в Super-K в виде диффузных колец от электронов, образующихся при взаимодействии электронных нейтрино с водой. В Super-K было замечено 28 электрон-нейтринных событий, тогда как при отсутствии осцилляций ожидалось бы только 4,6. Вероятность того, что эти 28 событий были вызваны каким-либо другим процессом, кроме осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино, ничтожно мала – 10^-13, и подтверждает, что эти осцилляции происходят.
T2K также изучает осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино, и они рассматриваются как уменьшение количества мюонных нейтрино, обнаруженных в Super-K, по сравнению с предсказанием ND280 об отсутствии осцилляций.
Преимущества внеосевого эксперимента
T2K – это первый в мире внеосевой нейтринный эксперимент: ND280 и Super-K смещены на 2,5 градуса от оси нейтринного пучка.
Внеосевая часть пучка имеет более узкий диапазон энергий, чем осевая часть, что означает, что большая доля нейтрино меняет аромат когда они достигают Super-K. Также наиболее важным измерением является измерение энергии нейтрино, которое производится наиболее точно по событиям, в которых нейтрино взаимодействует с нейтроном в детекторе, производя мюон и протон. Внеосевая часть пучка имеет большую долю таких событий, чем осевая часть, что позволяет T2K проводить более точные измерения энергии нейтрино. Это приводит к более точным измерениям вероятности осцилляций нейтрино и разности масс нейтрино, чем результаты предыдущих экспериментов.
